CN104465562A - 一种链式交错型微通道结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链式交错型微通道结构,其包括基底和设置在基底上的微流体通道，其特征在于，所述微流体通道包括两个微流体分支通道，且所述两个微流体分支通道周期性的相互交叉和分开，两个微流体分支通道在相互交叉处和分开处分别形成交叉口和分叉口。本发明提供的微流体通道，弯曲微通道是周期性变化的弧线型流道，由不同弧度的圆弧平滑地连接而成，相邻两个流道对称，每隔一段距离交叉，交叉后流道按照弧线布置。冷却工质在流道中流动平滑，摩擦阻力系数小。每个微流体通道的两个微流体分支通道的交错，引起了流道前沿的热边界层的重新发展，降低了边界层的厚度，重新产生的入口效应使得流体一直处于发展状态，提高了散热器的散热性能。

Description

一种链式交错型微通道结构

技术领域

本发明属于微电子高功率芯片封装散热领域，尤其涉及一种链式交错型微通道结构。

背景技术

随着集成电路中半导体数目不断增加，封装体积不断小型化，芯片单位体积的发热量在显著增加，如果不能在短时间内将这些热量有效地散发出去，将对半导体器件的寿命和工作性能产生很大的影响。

传统的换热方式有：风冷散热、水冷散热、热管散热、热电制冷、微喷射流冷却和微通道冷却。风冷散热成本低，散热效果明显，但是由于使用机械部件，体积大，噪音高，无法满足高热流密度的散热要求。水冷散热器较风冷散热器的散热效果好，但同样不适用于高密度组装的散热需求。热管的散热能力较高，不耗电，质量轻，但是其导热能力取决于毛细效应，长度一般为10—20cm，不适合冷热源之间导热路径较长的情况。热电制冷的原理是采用帕尔贴效应，其制冷量小。微喷射流冷却和微通道散热器的散热效果较好，均需消耗额外的泵功率提供冷却剂在通道中流动的动力。

微通道散热器是一种新兴的高效液冷散热技术。微通道指流体通道的水力直径为10—1000微米的通道，通过泵驱动冷却剂流经流体通道进行散热。

2010年华中科技大学的罗小兵和陈剑楠等人申请发明了一种微通道换热器(用于电子封装器件的微通道热沉，申请号：201010146723.4)。其微通道结构如图1所示：该微通道散热器由三部分组成，其中103是盖板，104是微流体通道，105是基底。101是发热器件，即热源，102是导热绝缘胶或其它高导热系数的粘接材料。该微通道散热器通过导热材料粘接到热源上。热源工作时产生的热量通过导热材料传递到微通道的壁面，通过泵驱动冷却剂流经微通道，带走侧壁的热量。

该微通道散热器存在以下问题：

1)当冷却工质流经加热的较长的平直流道时，工质吸收热源传递到通道侧壁的热量，使得工质的温度随着流动方向不断升高，受热面的均温性不佳。

2)流体流经平直流道时，随着热边界层的形成与发展，对流换热系数随着流动方向减小，换热效率不高。

2013年郑州大学的靳遵龙和张志超等人申请发明了一种微通道换热器(一种微通道换热器，申请号：201320005298.6)，如图2所示。该微通道散热器由两部分组成：基底01和以及在基底01的一侧铺设的弯曲通道02。其中，基底01的材质为硅板，基底01的厚度为2mm。基底01的一侧铺设有16根弯曲通道02，弯曲通道02内通过入口温度为293K的去离子水。弯曲通道02的通道直径为0.4mm，弯曲通道02的半径由0.4mm和0.9mm的圆弧构成，进出口长度均为1mm。

该微通道散热器存在以下问题：

1)微流道的流道相对较长，将会消耗更多的泵功率，换热效率较低。

2)流体流经弯曲流道时，相邻流道内的流体混合匮乏，散热性能较低。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种链式交错型微通道结构，其均温性好，能够提高微通道散热器的散热性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种链式交错型微通道结构包括基底和设置在基底上的微流体通道，所述微流体通道包括两个微流体分支通道，且所述两个微流体分支通道周期性的相互交叉和分开，两个微流体分支通道在相互交叉处和分开处分别形成交叉口和分叉口。

微流体通道的两个微流体分支通道的交错，引起了流道前沿流体热边界层的重新发展，降低了边界层的厚度，重新在交叉口处产生的入口效应使得流体一直处于发展状态，提高了散热器的散热性能。同时，在两个微流体分支通道的交叉口，可以显著增强流体混合。在分叉口，流体经汇合后会重新分配，进一步提高散热器的散热性能。

优选的技术方案，所述微流体通道的两个微流体分支通道呈轴对称分布。

进一步的优选技术方案，所述微流体分支通道为呈周期性变化的弧线型流道。弯曲的流道与矩形截面的直流道相比，流道长度增加，能够有效降低发热面的温度。

更进一步的优选技术方案，所述微流体分支通道的横截面为矩形。

所述矩形的宽度为0.2毫米，长度为0.8毫米。

所述两个微流体分支通道呈等距离的交叉。

所述基底采用热导系数高的陶瓷材料或者硅材料。

所述基底的厚度为2毫米。

所述微流体通道的冷却工质为乙醇、乙二醇、纯水、去离子水或者液态金属。

所述两个微流体分支通道的分开段为弧形，且分开段的长度大于交汇段的长度。

采用以上技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.本发明提供的微流体通道，弯曲微通道是周期性变化的弧线型流道，由不同弧度的圆弧平滑地连接而成，相邻两个流道对称，每隔一段距离交叉，交叉后流道按照弧线布置。冷却工质在流道中流动平滑，摩擦阻力系数小。

2.每个微流体通道的两个微流体分支通道的交错，引起了流道前沿的热边界层的重新发展，降低了边界层的厚度，重新产生的入口效应使得流体一直处于发展状态，提高了散热器的散热性能。

3.在流道交叉处，流体汇合后再在分叉处重新分配，可以显著增强流体混合，进一步提高散热器的散热性能。

4.弯曲的流道与矩形截面的直流道相比，流道长度增加，能够有效降低发热面的温度。

附图说明

图1为现有技术中用于电子封装器件的微通道热沉的方案示意图；

图2为现有技术中一种微通道换热器的方案示意图；

图3为本发明一种链式交错型微通道结构的示意图；

图4为不同冷却剂流速下三种通道的芯片最高温度对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图3所示：一种链式交错型微通道结构包括基底1和设置在基底1上的微流体通道2，所述微流体通道2包括两个微流体分支通道21、22，且所述两个微流体分支通道21、22周期性的相互交叉和分开，两个微流体分支通道21、22在相互交叉处和分开处分别形成交叉口23和分叉口24。所述微流体通道2的两个微流体分支通道21、22呈轴对称分布。所述微流体分支通道21、22为呈周期性变化的弧线型流道。所述微流体分支通道21、22的横截面为矩形。所述矩形的宽度为0.2毫米，长度为0.8毫米。所述两个微流体分支通道21、22呈等距离的交叉。所述基底1采用热导系数高的陶瓷材料或者硅材料。所述基底1的厚度为2毫米。所述微流体通道2的冷却工质为乙醇、乙二醇、纯水、去离子水或者液态金属。所述两个微流体分支通道21、22的分开段为弧形，且分开段的长度大于交汇段的长度。

上述流道采用喷射气相刻蚀技术JVE在陶瓷材料上加工微流通道，或采用深度反应离子刻蚀技术DRIE在硅基板上加工微流通道。

对三种微通道散热器进行仿真，通过对不同冷却剂流速下三种微通道散热器进行仿真，得到芯片上的温度分布图。

其中，参数设置和仿真结果如下：

模型尺寸：

1、微通道液冷冷板尺寸为：20mm×14mm×2mm；

2、微通道的截面尺寸为：0.8mm×0.8mm，微通道的个数为8个；

3、盖板尺寸为：20mm×14mm×1mm；

4、芯片尺寸为：10mm×10mm×1mm。

仿真设置：

冷却工质：水；

微通道散热器：硅；

热源设置：芯片的体积生热率为5×108W/m3；

芯片和散热器与周围空气的对流换热系数为20W/m2·k。

冷却剂的温度为293K，环境温度为298K；

建好仿真模型，设置好求解参数后，进行求解，最后观察求解结果。

从通过在不同冷却剂流速下三种微通道散热器的仿真，得到芯片上最高温度值，如图4中我们可以看出：本发明中设计的交错型通道，散热效果比长直通道和弯曲通道好。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的思想和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改。

Claims (10)

1.一种链式交错型微通道结构,包括基底和设置在基底上的微流体通道，其特征在于，所述微流体通道包括两个微流体分支通道，且所述两个微流体分支通道周期性的相互交叉和分开，两个微流体分支通道在相互交叉处和分开处分别形成交叉口和分叉口。

2.根据权利要求1所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于，所述微流体通道的两个微流体分支通道呈轴对称分布。

3.根据权利要求1所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于，所述微流体分支通道为呈周期性变化的弧线型流道。

4.根据权利要求1所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于，所述微流体分支通道的横截面为矩形。

5.根据权利要求4所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于：所述矩形的宽度为0.2毫米，长度为0.8毫米。

6.根据权利要求1所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于：所述两个微流体分支通道呈等距离的交叉。

7.根据权利要求1所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于：所述基底采用热导系数高的陶瓷材料或者硅材料。

8.根据权利要求1所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于：所述基底的厚度为2毫米。

9.根据权利要求1所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于：所述微流体通道的冷却工质为乙醇、乙二醇、纯水、去离子水或者液态金属。

10.根据权利要求1所述的一种链式交错型微通道结构，其特征在于：所述两个微流体分支通道的分开段为弧形，且分开段的长度大于交汇段的长度。